chapter 1 汽輪機的基本工作原理

1、15 March 20221貴州大學電氣工程學院 熱能與動力工程教研室 錢進汽輪機設(shè)備及運行汽輪機設(shè)備及運行15 March 2022215 March 2022315 March 20224工作蒸汽先在噴管內(nèi)進行膨脹，壓力降工作蒸汽先在噴管內(nèi)進行膨脹，壓力降低而速度增大，形成一股高速汽流，此低而速度增大，形成一股高速汽流，此高速汽流噴射到動葉上，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，高速汽流噴射到動葉上，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，因而使蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能因而使蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。15 March 2022515 March 20226 能量轉(zhuǎn)換的主要部件是一組噴管和一圈動葉，由它們能量轉(zhuǎn)換的主要部件是一組噴管和一圈動葉

2、，由它們組合而成的工作單元，稱為汽輪機的一個組合而成的工作單元，稱為汽輪機的一個“級級”。15 March 2022715 March 2022815 March 20229蒸汽在噴管內(nèi)的流動過程，理想情蒸汽在噴管內(nèi)的流動過程，理想情況下是等熵膨脹過程，實際是不可況下是等熵膨脹過程，實際是不可逆的絕熱膨脹過程。逆的絕熱膨脹過程。tthhcc102021)(211000)()(21102021tthhcc20101)(2000chhctt噴管損失：)(20001212111cchhhttn10101172.4472.44hhhhcctt15 March 202210單級汽輪機速度三角形單級汽輪機

3、速度三角形15 March 20221115 March 202212由于摩擦等損失，動葉內(nèi)的汽流速度會降低由于摩擦等損失，動葉內(nèi)的汽流速度會降低動葉損失動葉損失12ww)1 (2000110)(2122132221wwwhb余速損失2220001chc動葉損失15 March 202213 根據(jù)動量定理根據(jù)動量定理若蒸汽流量為若蒸汽流量為 D kg/s，則汽流作用于動葉上的圓周力為，則汽流作用于動葉上的圓周力為)()coscos(2211NccDFb此圓周力在每秒鐘內(nèi)所作之功，稱為“輪周功率”)kW(coscos100010002211ccDuuFPbb15 March 20221415 M

4、arch 202215該級總的焓降動葉內(nèi)的理想焓降反動度tstbhh,15 March 202216反動度為反動度為0.5的級的級。反動級動葉出口的蒸汽理想相對速度反動級動葉出口的蒸汽理想相對速度21,22000whwtbt200072.4421,22whwwtbt15 March 202217 在保持最高效率的前提下，在保持最高效率的前提下，反動級可以轉(zhuǎn)換的蒸汽焓降反動級可以轉(zhuǎn)換的蒸汽焓降約為沖動級的一半。因而，約為沖動級的一半。因而，同等容量的反動式結(jié)構(gòu)汽輪同等容量的反動式結(jié)構(gòu)汽輪機總級數(shù)要比沖動式結(jié)構(gòu)汽機總級數(shù)要比沖動式結(jié)構(gòu)汽輪機的總級數(shù)大致多一倍。輪機的總級數(shù)大致多一倍。 反動式汽輪機

5、的特點：反動式汽輪機的特點： 級數(shù)多、制造工藝要求級數(shù)多、制造工藝要求高、造價高。高、造價高。 效率較高。效率較高。15 March 202218 反動級與沖動級的效率比較葉柵損失 反動級動葉入口蒸汽速度低，蒸汽在動葉柵中為增速流動，且轉(zhuǎn)向角度小，使附面層增厚趨勢變小，既降低了葉型損失，也減小了端部損失。因此反動級的葉柵損失明顯小于沖動級，這是反動級的最大優(yōu)點。漏汽損失 由于反動級采用轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)，隔板內(nèi)徑較沖動級大，增大了隔板漏汽面積和漏汽量；同時由于動葉前后壓差大，所以葉頂漏汽損失也增加。15 March 202219 整機的特點噴嘴調(diào)節(jié)的反動式汽輪機調(diào)節(jié)級通常采用沖動級，以避免“死區(qū)”弧段

6、漏汽損失太大；采用平衡活塞來平衡部分軸向推力，增加了軸封漏汽損失，這是反動式汽機的主要問題；在同樣的初終參數(shù)下，反動式汽輪機的級數(shù)比沖動式多。但由于沖動級隔板較厚，所以整機軸向尺寸倒不一定長。如上汽300MW，35級；東汽沖動式28級。15 March 2022201 .蒸汽作用在動葉片上的力：可由牛頓第三定律蒸汽作用在動葉片上的力：可由牛頓第三定律和動量方程求得。如圖所示。將汽流力分解為和動量方程求得。如圖所示。將汽流力分解為周向分力周向分力Fu 和軸向分力和軸向分力Fz 。則，。則，2211coscosccGFu2211coscoswwGFu212211sinsinppAwwGFzz212

7、211sinsinppAccGFzz或或 蒸汽對動葉片的總作用力Fb為：22zubFFF15 March 2022212.輪周功率 單位時間內(nèi)圓周力Fu在動葉片上所做的功，它等于圓周力Fu于動葉圓周速度u的乘積，稱為輪周功率，其表達式為：2211coscosccGuuFPuu或2211coscoswwGuuFPuu1Kg蒸汽所作的輪周功，稱為級的作功能力，其大小為：22111coscosccuPu或22111coscoswwuPu15 March 202222 在葉片的進出口速度三角形中應(yīng)用余弦定理，即可得到輪周功率的另一種表達形式： 212222212wwccGPu 21222221121w

8、wccPu15 March 202223二、級的輪周效率二、級的輪周效率定義：蒸汽在輪周上所做之功與整個級所消耗定義：蒸汽在輪周上所做之功與整個級所消耗的蒸汽理想能量（級的理想能量）之比，即的蒸汽理想能量（級的理想能量）之比，即01EPuu222221*2212000chchcEttE0-級的理想能量，它包括熱能和動能兩部分，其表達式為15 March 202224級的熱力過程線級的熱力過程線15 March 202225速度比速度比：輪周速度：輪周速度u與噴嘴出口汽流速度與噴嘴出口汽流速度c1之之比。用比。用x1表示，即表示，即x1=u/c1 。研究速度比與輪周效率關(guān)系的目的在于根據(jù)不研究速

9、度比與輪周效率關(guān)系的目的在于根據(jù)不同級的特點，分析速度比對輪周效率的影響，同級的特點，分析速度比對輪周效率的影響，并確定最佳速度比。并確定最佳速度比。（一）純沖動級的速度比與輪周效率（一）純沖動級的速度比與輪周效率1.余速不利用：余速不利用：對純沖動級，。，1200wwhtbm余速不利用，則010，則有。，tatncchh115 March 202226輪周效率的表達式為：212211coscos2tucccu應(yīng)用速度三角形，上式變?yōu)椋?21112coscos1cos2xxu 由上式可見： 對 u 的影響最大。提高 和 及降低1 和 2 均可提高 u 。一旦噴嘴及動葉型線確定后，這些參數(shù)也就隨

10、之而定，唯有x1可以選擇：（1）當x1=0時， u 0。（2）當 x1=cos 1 時， u 0 。（3）所以，當x1從零變化到 cos 1 的過程中，必存在一個使 u 達最大值的速度比。即最佳速度比。15 March 202227最佳速度比：輪周效率最高時的速度比。用最佳速度比：輪周效率最高時的速度比。用(x1)op 表示。表示。求解方法：函數(shù)求極值法和速度三角形法。求解方法：函數(shù)求極值法和速度三角形法。a 函數(shù)求極值法：將函數(shù)求極值法：將 u 的表達式對的表達式對x1求導，并令其求導，并令其為零即可得最佳速度比的值。即為零即可得最佳速度比的值。即0coscos1cos212111211xx

11、dxddxdu 2cos1imop1x可求得最佳速度比：b 速度三角形法：對純沖動級，2 1 ，w2w1，則在相同的1 和c1下，改變x1 ，就可作出如圖1-25所示的速度三角形。15 March 20222815 March 202229 由圖可知：當290 時，c2最小，輪周效率最高，此時的速度比即為最佳速度比。由（b）圖可知： 2cos111cuximop最佳速度比的物理意義為：使動葉出口的絕對速度c2的方向角 290 ，即軸向排汽，從而使c2值最小，輪周效率最高時的速度比。速度比x1與輪周效率 的關(guān)系可繪制成如下圖所示的曲線。它是一條拋物線。其中：21n不隨速度比的變化而變化。2102

12、21wEb隨速度比的增大而減小。02222Ecc隨速度比的增大先逐漸減小，達到最小值后又逐漸增大。15 March 20223015 March 2022312.余速利用：余速利用：最佳速度比：最佳速度比：余速利用對輪周效率的影響余速利用對輪周效率的影響：如圖如圖126所示。所示。a 提高了級的輪周效率。提高了級的輪周效率。b 中間級效率曲線在最大值附近變化平穩(wěn)。中間級效率曲線在最大值附近變化平穩(wěn)。c 使最佳速度比增大。使最佳速度比增大。理想速度比xa：aacux Xa與x1的關(guān)系為：maxx11最佳理想速度比： 2cos11opopaxx15 March 20223215 March 202

13、233由于反動級的噴嘴葉型由于反動級的噴嘴葉型和動葉葉型相同，反動和動葉葉型相同，反動級的余速基本上都能得級的余速基本上都能得到利用，即到利用，即 0 11根據(jù)最佳速度比的物理根據(jù)最佳速度比的物理意義可得反動級在最佳意義可得反動級在最佳速度比下的速度三角形速度比下的速度三角形如圖如圖127所示。由圖所示。由圖可得最佳速度比為可得最佳速度比為 111coscuxopuc1uuc1w2=c1w1=c215 March 202234用解析法求反動級的最佳速度比： 222122122122222101ccwwccEPauu 利用速度三角形簡化為：21212121wcwctu 利用余弦定理代換得：111

14、2cos21111xxu15 March 202235為得到u 的最大值，須使11cos2xx0cos21111dxxdx得： 11cosreopx將 u 與x1、xa的關(guān)系繪成如圖1-28所示的曲線。對于不同反動度的級，其最佳速度比在不同的余速利用系數(shù)下隨反動度的變化規(guī)律如圖1-29所示。最大。令：15 March 202236圖128圖12915 March 20223715 March 202238 現(xiàn)代汽輪機，由于采用越來越高的蒸汽初參數(shù)和很低的排汽現(xiàn)代汽輪機，由于采用越來越高的蒸汽初參數(shù)和很低的排汽壓力，整機的理想焓降都很大，為了有效利用蒸汽的焓降，壓力，整機的理想焓降都很大，為了有

15、效利用蒸汽的焓降，汽輪機大都采用多級形式（壓力多級、速度多級）。汽輪機大都采用多級形式（壓力多級、速度多級）。15 March 202239 所謂壓力多級汽輪機，就是蒸汽從很高的初壓膨脹到很低所謂壓力多級汽輪機，就是蒸汽從很高的初壓膨脹到很低的終壓，是在很多個壓力級內(nèi)分段依次進行的，也就是把的終壓，是在很多個壓力級內(nèi)分段依次進行的，也就是把蒸汽的總焓降分配給若干個壓力級來進行，每個壓力級都蒸汽的總焓降分配給若干個壓力級來進行，每個壓力級都有自己的噴嘴和動葉，整臺汽輪機就像由若干臺單級汽輪有自己的噴嘴和動葉，整臺汽輪機就像由若干臺單級汽輪機串聯(lián)起來一樣。機串聯(lián)起來一樣。 這種壓力多級汽輪機的各項

16、損失都比較小，其效率一般要這種壓力多級汽輪機的各項損失都比較小，其效率一般要比速度多級汽輪機高得多；因此，現(xiàn)代大、中型汽輪機幾比速度多級汽輪機高得多；因此，現(xiàn)代大、中型汽輪機幾乎無所例外地都采用壓力多級得結(jié)構(gòu)型式，其級數(shù)可根據(jù)乎無所例外地都采用壓力多級得結(jié)構(gòu)型式，其級數(shù)可根據(jù)功率需要確定，一般以功率需要確定，一般以10級以上者較為多見。級以上者較為多見。15 March 20224015 March 20224115 March 20224215 March 20224315 March 202244 汽輪機運行時，在它的每個級內(nèi)，都不可避免地有各種汽輪機運行時，在它的每個級內(nèi)，都不可避免地有

17、各種級內(nèi)的能量損失。包括級內(nèi)的能量損失。包括 噴管損失噴管損失 動葉損失動葉損失 余速損失余速損失 葉輪摩擦損失葉輪摩擦損失 葉片鼓風損失葉片鼓風損失 級內(nèi)漏汽損失級內(nèi)漏汽損失 濕氣損失，等濕氣損失，等15 March 202245)/(1021322kgkJchc中間級的余速可能被下一級加以利用。中間級的余速可能被下一級加以利用。15 March 202246葉輪兩側(cè)表面與周圍的蒸汽（非工作汽葉輪兩側(cè)表面與周圍的蒸汽（非工作汽流）發(fā)生摩擦，消耗一部分機械功。流）發(fā)生摩擦，消耗一部分機械功。沒有工作汽流的葉片，對周圍非工作蒸沒有工作汽流的葉片，對周圍非工作蒸汽鼓風作用，消耗掉的部分機械能。汽鼓

18、風作用，消耗掉的部分機械能。15 March 20224715 March 20224815 March 20224915 March 20225015 March 20225115 March 20225215 March 202253通常用級的相對內(nèi)效率表示蒸汽在某級內(nèi)膨脹的完善程度tsissoihh,15 March 20225415 March 20225515 March 202256036003600PhDhDPoitoiiiD 汽輪機的總汽耗量，汽輪機的總汽耗量，kg/hP0 汽輪機的理想功率汽輪機的理想功率15 March 202257Pe 軸功率軸功率Pel 電功率電功率ie

19、mPPeelgPP15 March 202258外部漏汽損失機械損失外部損失機組的散熱損失排汽管的阻力損失中間再熱管道損失級內(nèi)各項損失進汽機構(gòu)的節(jié)流損失內(nèi)部損失分類15 March 202259 1機械損失機械損失 2外部漏汽損失外部漏汽損失 齒形汽封能夠盡量地減小漏齒形汽封能夠盡量地減小漏汽間隙，并能有效地降低漏汽速汽間隙，并能有效地降低漏汽速度度 汽輪機各汽缸端部的軸封及汽輪機各汽缸端部的軸封及其與之相連接的管道和附屬設(shè)備，其與之相連接的管道和附屬設(shè)備，稱為汽輪機的軸封系統(tǒng)。稱為汽輪機的軸封系統(tǒng)。 在機組正常運行時，靠高中在機組正常運行時，靠高中壓缸兩端軸封漏汽作為低壓端軸壓缸兩端軸封漏汽

20、作為低壓端軸封供汽，不需另供軸封用汽，這封供汽，不需另供軸封用汽，這種系統(tǒng)稱為自密封軸封系統(tǒng)。種系統(tǒng)稱為自密封軸封系統(tǒng)。15 March 202260 1汽輪機進汽機構(gòu)的節(jié)流損失汽輪機進汽機構(gòu)的節(jié)流損失 03. 0(000ppp0)05. 0p 95. 0(0 p0)97. 0p 02. 0(ssspppsp)03. 0 tttHHH15 March 2022612排汽管中的壓力損失排汽管中的壓力損失3中間再熱管道的壓力損失中間再熱管道的壓力損失ttcHHH rp=(812)rp 15 March 202262 一個機械或裝置的輸入能量與輸出能量之比稱為此機械一個機械或裝置的輸入能量與輸出能量

21、之比稱為此機械或裝置的效率?；蜓b置的效率。 （一）相對效率（一）相對效率 當分折汽輪發(fā)電機組的經(jīng)濟性時，將汽輪發(fā)電機組作為研當分折汽輪發(fā)電機組的經(jīng)濟性時，將汽輪發(fā)電機組作為研究對象，則輸入汽輪發(fā)電機組中的能量為汽輪機的理想焓究對象，則輸入汽輪發(fā)電機組中的能量為汽輪機的理想焓降，以此而得到的一組效率稱為相對效率。降，以此而得到的一組效率稱為相對效率。 1汽輪機的相對內(nèi)效率汽輪機的相對內(nèi)效率 2汽輪機的相對有效效率汽輪機的相對有效效率 titiriHHppiempprimtiieterepppppp15 March 2022633汽輪發(fā)電機組的相對電效率汽輪發(fā)電機組的相對電效率 eelgppregrimgtiieeeltelrelppppppppgmritelHGp3600gmritelHDpnjijinjgmijigmelHDHGp11360015 March 202264當考慮發(fā)電廠整個熱力循環(huán)時，若以作為輸當考慮發(fā)電廠整個熱力循環(huán)時，若以作為輸入能量，以汽輪發(fā)電機組不同的功率作為輸出能入能量，以汽輪發(fā)電機組不同的功率作為輸出能量所得到的一組效率稱為絕對效率。當以汽輪機量所得到的一組效率稱為絕對效